劉沖沖，林森什

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

發(fā)動(dòng)機(jī)為直升機(jī)提供飛行所需的動(dòng)力，是直升機(jī)的核心部件，被稱為直升機(jī)的“心臟”[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)一旦發(fā)生故障，輕則導(dǎo)致飛行任務(wù)無(wú)法完成，重則會(huì)導(dǎo)致重大飛行事故。

直升機(jī)通常采用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)通常由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)鉁u輪、動(dòng)力渦輪、減速器等組成[2]。環(huán)境空氣從進(jìn)氣道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入燃燒室與燃油混合燃燒，產(chǎn)生的高溫燃?xì)怛?qū)動(dòng)燃?xì)鉁u輪和動(dòng)力渦輪做功。動(dòng)力渦輪通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)旋翼，進(jìn)而提供飛行所需的動(dòng)力。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜，故障模式較多。在發(fā)動(dòng)機(jī)所有故障模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)停車的后果是非常嚴(yán)重的。發(fā)動(dòng)機(jī)停車后必須立刻進(jìn)行故障分析，一方面可為解決故障提供指導(dǎo)，另一方面可為其他型號(hào)的設(shè)計(jì)、排故工作提供參考。

1 故障現(xiàn)象

某型直升機(jī)懸停飛行時(shí)，在提總距過(guò)程中飛行員未做任何發(fā)動(dòng)機(jī)操縱的情況下，2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速（Ng）、渦輪間溫度（ITT）、扭矩快速下降，報(bào)“2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)停車”“2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?jí)旱汀薄?號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)滑壓低”告警。

經(jīng)判讀飛參，2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)停車過(guò)程中工作參數(shù)（燃油流量除外）、燃油壓力低告警、滑油壓力低告警、故障字和狀態(tài)字等均與正常停車一致，但是燃油流量存在異常。正常停車燃油流量在Ng下降到一定值時(shí)消失，但是本次停車過(guò)程中燃油流量在Ng下降到0才消失。

綜上所述，確認(rèn)故障是2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車。

2 故障分析

根據(jù)直升機(jī)上各系統(tǒng)的故障模式，發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車故障樹如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車故障樹

吸入阻燃物質(zhì)會(huì)使燃燒室熄火導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車。排故時(shí)發(fā)現(xiàn)2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣兜未按圖紙要求開排水孔。故障前一天機(jī)場(chǎng)天氣情況為暴雨，導(dǎo)致進(jìn)氣兜積水約5 kg。直升機(jī)配裝的發(fā)動(dòng)機(jī)要求穩(wěn)定工作時(shí)進(jìn)氣含水量不高于λ，飛行中積水被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)使燃燒室熄火導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停車，無(wú)法排除底事件X1。

異常吸入固體會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)失效使ITT上升，與故障現(xiàn)象不符，可排除底事件X2；進(jìn)氣畸變會(huì)導(dǎo)致Ng波動(dòng)、ITT異常升高，與故障現(xiàn)象不符，可排除底事件X3；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)燃油品質(zhì)為5級(jí)，可排除底事件X4；異常停車前未報(bào)燃?jí)旱透婢?，進(jìn)行了燃油管路檢查、油箱增壓泵檢查、通氣孔檢查及氣密性試驗(yàn)，地面試車發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，可排除底事件X5;檢查未發(fā)現(xiàn)異常防火斷油，可排除底事件X6。

異常停車時(shí)PMS開關(guān)在“飛行”位置未變化，可排除底事件X7；飛行中未報(bào)“油門偏”告警，可排除底事件X8；異常停車后燃油流量一直存在，發(fā)動(dòng)機(jī)吸油未中斷，表明未發(fā)生線路故障和機(jī)械故障，可排除底事件X9、X10；檢查燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子未發(fā)生卡滯，可排除底事件X11；機(jī)匣破裂和燃?xì)鉁u輪破裂會(huì)導(dǎo)致停車前Ng持續(xù)波動(dòng)，與故障現(xiàn)象不符，可排除底事件X12、X13。

綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車的原因是吸入阻燃物質(zhì)。

3 故障機(jī)理

3.1 故障前發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣含水量分析

某型直升機(jī)配裝的發(fā)動(dòng)機(jī)要求穩(wěn)定工作時(shí)進(jìn)氣含水量不高于λ。地面開車標(biāo)定了進(jìn)氣兜積水5 kg時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工作狀態(tài)的進(jìn)氣含水量。由于進(jìn)氣兜水面距離發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口92.1 mm，試驗(yàn)測(cè)得地慢狀態(tài)和飛慢狀態(tài)進(jìn)氣含水量遠(yuǎn)小于λ，因此故障前發(fā)動(dòng)機(jī)可以正常工作。

3.2 提距過(guò)程中進(jìn)氣兜水面運(yùn)動(dòng)模擬

發(fā)動(dòng)機(jī)停車前13 s內(nèi)直升機(jī)俯角變化如圖2所示。懸停飛行提距過(guò)程中，直升機(jī)俯仰角迅速增大。發(fā)動(dòng)機(jī)停車前13 s內(nèi)直升機(jī)俯仰角由0.3°增大至4.1°，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)停車前2 s，直升機(jī)俯仰角由1.1°增大到4.1°。當(dāng)直升機(jī)俯仰角為4.1°時(shí)，水面與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口靜態(tài)距離縮小了11.6 mm，水面距離發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口僅80.5 mm，水更容易被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)停車前13 s內(nèi)直升機(jī)俯仰角變化

為進(jìn)一步研究發(fā)動(dòng)機(jī)異常的故障機(jī)理，需分析直升機(jī)俯仰角增大過(guò)程中進(jìn)氣兜內(nèi)水面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程?？紤]到飛行安全和試驗(yàn)條件的限制，采用FLOW-3D進(jìn)行數(shù)值仿真，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車前13 s進(jìn)氣兜內(nèi)水面運(yùn)動(dòng)過(guò)程。FLOW-3D采用Tru VOF方法對(duì)流體界面進(jìn)行三維重構(gòu)，模擬自由液面的運(yùn)動(dòng)[3]?？紤]到水是不可壓縮流體，采用RNG方法應(yīng)用于Navier-Stokes方程作為控制方程，采用有限差分法進(jìn)行求解。

不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車前13 s和2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車時(shí)刻水面運(yùn)動(dòng)如圖3和圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車時(shí)刻水面劇烈震蕩，進(jìn)氣兜內(nèi)部分水脫離水面甚至可能被甩出進(jìn)氣兜進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖3 2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)停車前13 s進(jìn)氣兜水面運(yùn)動(dòng)圖

圖4 2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車時(shí)刻進(jìn)氣兜水面運(yùn)動(dòng)圖

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)停車故障復(fù)現(xiàn)

為進(jìn)一步確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車的原因，本文進(jìn)行了故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)。由于真實(shí)復(fù)現(xiàn)起飛過(guò)程中2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車存在較大風(fēng)險(xiǎn)，以地面試驗(yàn)作為故障復(fù)現(xiàn)的依據(jù)。

第1次試驗(yàn)?zāi)M進(jìn)氣兜積水5 kg。2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)PMS開關(guān)從“停車”撥到“地慢”，2 min后從“停車”撥到“飛行”，3 min后直升機(jī)提距。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，故障未復(fù)現(xiàn)。雖然進(jìn)氣兜積水量和故障當(dāng)天一致，但是直升機(jī)俯仰角沒有變化，所以進(jìn)氣含水量低于規(guī)定值λ，發(fā)動(dòng)機(jī)沒有停車。

第2次試驗(yàn)?zāi)M進(jìn)氣兜積水12 kg。2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)PMS開關(guān)從“地慢”撥到“飛行”，9 s后ITT溫度不穩(wěn)定，表明發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室已經(jīng)熄火。第2次試驗(yàn)2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)停車前Ng、ITT上升比1、3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)慢，扭矩上升比1、3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)快，與故障當(dāng)天現(xiàn)象相符。

上述理論分析、數(shù)值仿真、地面試驗(yàn)表明，直升機(jī)提距過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)吸入雨水導(dǎo)致進(jìn)氣含水量大于λ是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車的原因。

4 整改措施

為解決本次發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車故障，按照?qǐng)D紙補(bǔ)開了進(jìn)氣兜排水孔。后續(xù)進(jìn)行多次試飛行驗(yàn)證，2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)異常，故障未復(fù)現(xiàn)。為防止類似故障發(fā)生，在本型號(hào)直升機(jī)和新研直升機(jī)維護(hù)手冊(cè)中增加了進(jìn)氣兜排水孔應(yīng)無(wú)堵塞的檢查要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)某型直升機(jī)懸停飛行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車問(wèn)題，利用故障樹、理論分析、數(shù)值仿真和地面試驗(yàn)分析器故障原因和機(jī)理。通過(guò)分析，可以得到以下結(jié)論。

（1）本次發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車故障是進(jìn)氣兜積累雨水導(dǎo)致進(jìn)氣含水量高于發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)定值λ導(dǎo)致的。

（2）針對(duì)本次發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車，可通過(guò)在進(jìn)氣兜補(bǔ)開排水口解決，試飛結(jié)果也表明措施有效。

（3）本文對(duì)排查發(fā)動(dòng)機(jī)異常停車故障有指導(dǎo)意義，也對(duì)新研直升機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。